Ресурсосбережение в строительстве. Минеральное сырье Страны-экспортеры богатые минеральным сырьем

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.

Своему появлению минеральная вата обязана извержению вулкана и Эдварду Перри, английскому инженеру. Именно он обратил внимание на то, что во время извержения выбрасываются не только лава и пепел, но также образуются тончайшие волокна расплавленного и застывшего на лету шлака. Из множества таких волокон получался отличный теплоизоляционный материал с качествами, совершенно не свойственными базальту. Если сказать проще, минеральная вата — это камень со свойствами одеяла, которое можно сворачивать в рулон, заматывать в него, оборачивать вокруг чего-нибудь, сжимать, резать и т. д.

Производство минеральной ваты

Первые попытки наладить производство минерального утеплителя на основе базальтового волокна были предприняты еще в середине XIX века. Но из-за низкой эффективности технологического процесса и исключительной вредности производства на тот момент от него пришлось отказаться вплоть до 80-х годов XIX века.

Суть современной технологии производства в целом идентична первоначально изобретенной. С той разницей, что в качестве сырья могут выступать не только такие горные породы, как базальт, доломит, диабаз, известняк, но и шлак, образующийся в результате работы доменной металлургии.

Для производства стекловаты используют смесь известняка, соды и песка, или стеклянный бой. Предварительно подготовленную смесь нагревают до температуры 1300-1500 °С и помещают в центрифугу. Дальше на высокой скорости горячую смесь разбивают специальные валки. В результате получают миллионы тончайших каменных нитей, которые смешивают в специальных формах со связующим, в качестве коего выступает формальдегидная смола.

Базальтовый утеплитель в строительстве

Утеплитель на основе минерального волокна по праву считается наиболее универсальным вариантом теплоизоляции. Такой материал имеет длительный срок эксплуатации и, как следствие, используется там, где необходима многолетняя и надежная теплоизоляция.

Он широко используется в современном строительстве. Уникальные свойства минеральной ваты существенно расширяют область ее применения, делая незаменимым материалом при термоизоляции многоэтажных зданий, возведении кровли промышленных сооружений, утеплении загородных коттеджей и пр. Широко применяется минвата и для теплоизоляции оборудования и трубопроводов в осенне-зимний период.

Такие производители, как ROCKWOOL и ISOVER выпускают свою продукцию в соответствии с требованиями европейских стандартов безопасности. Современная минеральная вата относится к классу негорючих материалов и способна активно противостоять распространению пламени, в связи с чем может быть использована в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты, защищающей конструкцию от воздействия высокой температуры, вплоть до 1000 °С.

Эта отличительная особенность минваты позволяет эффективно использовать ее при теплоизоляции трубопроводов и других объектов с высокими рабочими температурами.

Минеральную вату в качестве теплоизоляционного материала применяют в различных областях строительства:

• утепление любых видов кровли, в том числе плоской крыши ;
• применение в системе наружной теплоизоляции;
• для утепления вентилируемых фасадов;
• утепление слоистой кладки и в сэндвич-панелях;
• теплоизоляция судовых корпусных конструкций и судовых помещений;
• термоизоляция трубопроводов при температуре от -120 до +1000 °С;
• огнезащита строительных конструкций и вентиляционных систем.

Для установки на объектах, где минвата во время монтажа или в процессе эксплуатации подвергается воздействию сильных нагрузок, производят жесткий базальтовый утеплитель. Прочность на сжатие такой теплоизоляции варьируется в зависимости от плотности и содержания связующего.

Выпускают также различные модификации, состоящие из двух слоев разной плотности, и рекомендованные для теплоизоляции вентилируемых фасадов. Устанавливают такую термоизоляцию более плотной частью наружу (со стороны вентиляционного зазора), а менее плотной — к стене здания.

Основные характеристики утеплителя из минеральной ваты

Теплоизоляция

Минеральная вата — это высокопрочный теплоизоляционный материал. Хаотичная структура расположения базальтовых волокон обеспечивает устойчивость минваты к механическим нагрузкам. Строго нормированный для кровельных и фасадных теплоизоляционных систем показатель — прочность материала на сжатие. У каменной ваты он, при десятипроцентной деформации, от 5 до 80 кПа. Стабильность формы и высокая структурная прочность базальтовых утеплителей обеспечивают долговечную и надежную изоляцию конструкций. При соблюдении технологии установки и правил эксплуатации утепление может прослужить до 70 лет.

Водоотталкивающие свойства

Одно из важнейших качеств минерального утеплителя — это его водоотталкивающие свойства, позволяющие не допустить попадания влаги в воздушные поры материала и, как следствие, увеличение коэффициента теплопроводности. Такое преимущество минваты делает ее незаменимой при утеплении помещений с повышенным уровнем влажности, таких, как бани или сауны, спортивные помещения, предприятия общественного питания.

Звукоизоляция

Кроме теплоизоляционных свойств, базальтовый утеплитель обладает прекрасными шумоизоляционными характеристиками, препятствуя распространению звуковых волн между смежными поверхностями стены. Он идеально подходит для установки между листами гипсокартона в простенках.

Паропроницаемость

Одним из немаловажных качеств минеральной ваты можно назвать высокую паропроницаемость. Она способна свободно пропускать избыточную влагу, содержащуюся в воздухе, оставаясь сухой и не теряя теплоизоляционных качеств.

Устойчивость к химическому воздействию

Среди важнейших преимуществ базальтового утеплителя, определяющих его конкурентоспособность, можно назвать устойчивость к химическому воздействию. Базальтовое волокно — это химически пассивная среда, которая не провоцирует коррозию контактирующих с ней металлических конструкций. По тем же причинам она не подвержена гниению и образованию грибка и плесени.

Экологичность

Несмотря на бытующее мнение, нет причин опасаться выделения фенола при эксплуатации базальтовой ваты. Дело в том, что в процессе производства происходит полная нейтрализация фенола. Это и послужило основанием к международной классификации базальтовых утеплителей как наиболее экологически безопасных материалов.

Особенности утепления минеральной ватой деревянных домов

Минеральная вата — единственный утеплитель, который подходит для деревянных домов. Благодаря своей структуре она формирует дышащий слой — в отличие от герметизирующих утеплителей, создающих эффект термоса.

Так как каменная вата — это негорючий строительный материал, она будет препятствовать распространению огня. Напротив, популярный из-за своей невысокой стоимости пенополистирол (пенопласт) при горении выделяет смертельный для человека газ.

Грызуны, вероятность встречи с которыми в деревянных домах совсем не исключена, совершенно равнодушны к базальту, а вот утеплитель из органических веществ они разрушают регулярно.

На видео демонстрируется процесс производства минеральной ваты .

Это направление является самым важным в решении проблемы безотходного горного производства, так как почти все месторождения полезных ископаемых являются комплексными, т. е. содержат не один, а несколько полезных компонентов. Например, для горно-химической отрасли, комплексное использование минеральных ресурсов сопровождается с одной стороны максимальным извлечением полезных компонентов, содержащихся в рудах, утилизацией вмещающих пород и отходов производства для удовлетворения потребностей других отраслей народного хозяйства и улучшением технико-экономических показателей отрасли, а с другой - пополнением минерально-сырьевой базы отрасли за счет попутного извлечения фосфатов, серы и др. полезных компонентов при комплексной переработке руд черных и цветных металлов, природного газа и т. д.

В отечественной горнодобывающей промышленности накоплен большой опыт комплексного использования минеральных ресурсов. Предприятия цветной металлургии обладают значительным опытом комплексного использования сырья. Из 70 химических элементов, получаемых на предприятиях цветной металлургии, почти половину извлекают попутно: серебро, висмут, платину, золото, серу, цинк, свинец, медь и т. п., что составляет почти треть общей стоимости получаемой продукции. Общий экономический эффект комплексной переработки минерального сырья оценивается в несколько десятков миллиардов рублей. По расчетам специалистов, мобилизация имеющихся резервов при сравнительно небольших трудовых и капитальных затратах позволит более чем на 25 % увеличить потенциал добывающих отраслей.

Проблема комплексного использования сырья имеет большое значение как с экологической, так и с экономической точек зрения. Во многих отраслях промышленности до 60-70 % себестоимости продукции приходится на долю сырья. Рациональное использование сырья и вовлечение в производство вторичных ресурсов является важнейшей народнохозяйственной задачей и возведено в ранг государственной политики.

При разработке месторождений полезных ископаемых большие объемы вскрышных пород направляют в отвалы, которые занимают значительные площади. Вместе с тем, отвалы горных производств представляют собой дешевое и ценное сырье, которое может найти применение в строительстве, землепользовании и других отраслях промышленности.

Актуальной проблемой является комплексное использование сырья с переводом всех компонентов в промышленные продукты.

В схеме рационального комплексного использования минерального сырья выделяют следующие самостоятельные направления: геолого-минералогическое, горнодобывающее, обогатительное, химико-металлургическое, экономическое и экологическое.

Геолого-минералогическое направление включает следующие разделы: комплексное изучение горнорудных районов и месторождений; закономерности размещения оруденения, минералов и углей; вещественный состав руд и углей; выделение технологических типов руд, технологическое картирование месторождений; бедные и забалансовые руды; геолого-минералогическое изучение техногенного сырья; изучение вскрышных и вмещающих пород; технологическая геохимия и минералогия.

Горнодобывающее направление включает следующие разделы: разработка и внедрение оптимальных систем добычи полезных ископаемых; вторичная отработка месторождений; рациональное использование минерального сырья с организацией селективной добычи; подземное выщелачивание металлов; создание службы управления качеством добываемого сырья.

Правильный выбор системы разработки обеспечивает производительную, экономически выгодную и безопасную эксплуатацию месторождения при рациональном использовании запасов полезных ископаемых.

Основными составляющими обогатительного направления являются: внедрение технологических схем обогащения руд, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и повышение извлечения металлов; обогащение труднообогатимых и забалансовых руд; разработка схем доизвлечения металлов из техногенных продуктов.

Основными разделами химико-металлургического направления являются: внедрение оптимальных схем химико-металлургического передела; извлечение элементов-примесей; применение гидрометаллургии для необогатимых руд; использование технологических пылей и газов; кучное выщелачивание металлов.

Важнейшим вопросом, связанным с проблемой рационального использования минерального сырья, является вовлечение вторичного сырья в цикл металлургического производства. Это позволяет экономнее расходовать природные рудные ресурсы, получать металлы более простыми и дешевыми металлургическими приемами, дополнительно увеличить выпуск металлической продукции. В перспективе вторичное сырье должно стать основным источником получения некоторых металлов.

Организация производства и экономика. Это направление включает следующие разделы: разработка методики определения социально-экономической эффективности минерального сырья; организация малоотходной добычи и переработки руд; разработка хозяйственного механизма эффективного использования полезных ископаемых.

Экономика минерального сырья и его оценка являются важнейшими комплексными вопросами, охватывающими масштабы запасов и промышленно-геологические условия месторождений полезных ископаемых, анализ их освоения, добычи и переработки.

Геолого-экономическая оценка проводится на всех стадиях изучения месторождений. На стадии поисков она позволяет отбраковать непромышленные рудопроявления и месторождения, а из остальных выбрать наиболее перспективные для предварительной разведки.

Геолого-экономическая оценка включает следующие операции: обоснование кондиций, оконтуривание в соответствии с ними месторождения.

Экономическая оценка месторождений полезных ископаемых определяет народнохозяйственный эффект от использования их запасов с учетом фактора времени. Основной ее показатель определяется в виде разности между ценностью конечной продукции и затратами на ее получение.

Важнейшими показателями экономической оценки месторождений при их разработке являются потери и разубоживание руды; комплексное использование рудного сырья; обоснование кондиций на минеральное сырье; организация службы управлением качеством добываемого сырья.

Проблема рационального комплексного использования минерального сырья, наряду с его направлениями, должна рассматриваться с учетом экологических условий. Поэтому вопросы охраны окружающей среды, разработка месторождений, технологическая переработка полезных ископаемых должны рассматриваться в едином комплексе.

Научно-технический прогресс предусматривает разработку важнейших проблем по основным направлениям обогащения полезных ископаемых, ведущим к совершенству технологических процессов, улучшению качественных показателей и снижению себестоимости получаемой продукции. Рациональное использование полезных ископаемых на стадиях их добычи и обогащения представляет собой единую неделимую проблему, главной задачей которой является наиболее полное использование основных и редких рассеянных металлов. Решение этой задачи к пересмотру и снижению минимального промышленного содержания полезных компонентов в руде и, следовательно, вовлечению в добычу и переработку более бедных руд.

Для подготовки руды к обогащению предусматривается разработка и внедрение эффективных способов управления ее качеством на основе ядерно-геофизических методов. Они, в частности, включают геолого-технологическое картирование оруденения месторождения путем геофизического каротажа скважин, радиометрическую сортировку руд с целью удаления разубоживающих безрудных пород.

Процессы рудоподготовки могут быть наиболее эффективны, если они комплексируются в геологической, горной и обогатительной части на основе изучения геофизических и геохимических полей руд и вмещающих пород и их технологических свойств. Новые подходы к решению вопроса управления качеством руды позволяют повысить комплексное использование сырья и извлечение металлов на 5-10%, а производительность труда - на 15 %.

В зависимости от промышленно-генетического типа месторождения, петрографического состава рудовмещающих пород, принятого способа его разработки определяется состав перемещенных в горные отвалы вскрышных и вмещающих пород в соответствии с принятой классификацией.

Попутно извлекаемые вмещающие породы при разработке месторождений полезных ископаемых находят широкое применение в народном хозяйстве. Они используются в стройиндустрии, металлургии, легкой и пищевой промышленности, как химическое, керамическое и агрономическое сырье, а также как возможный источник для извлечения металлов, минералов и других полезных компонентов. Особенно разнообразное применение они находят в производстве различных строительных материалов.

Вскрышные и вмещающие горные породы по своим геологическим особенностям и использованию в народном хозяйстве делятся на следующие пять групп: скальные, обломочные, глинистые, карбонатные и полевошпатовые.

Песчано-гравийные породы с включением галечного и валунного широко распространены и занимают наибольшие объемы в отвалах вскрышных пород, образованных при разработке рудных, неметаллических, угольных и особенно россыпных месторождений. В основу их классификации положен гранулометрический состав, в соответствии с ко торым по мере увеличения размера фракций от 0,05 до 700 мм и более, выделяются следующие типы пород: пески, гравий, галька, валуны. Они состоят из обломков различных горных пород или минералов и заполняющего более тонкозернистого вещества (разнозернистые, равномернозернистые), минеральным составом, а также прочностью и степенью окатанности. Среди них распространены породы переходного типа: песчано-гравийные, песчано-гравийно-гравелистые, гравийно-гравелистые.

Гравий используется как в естественном виде, так и после дробления фракций и применяется в виде крупного заполнителя бетона и при строительстве железных и автомобильных дорог.

Пески применяются при строительстве железных и автомобильных дорог, в качестве мелкого заполнителя при производстве бетона, для изготовления строительных растворов, в производстве силикатных строительных материалов, отощения глин при изготовлении грубой керамики, получения кровельных рулонных материалов, закладки подземных горных выработок, рекультивации земель при открытой разработке полезных ископаемых. Также пески используются как стекольное сырье, формовочный материал в литейном производстве, абразивный материал, для производства огнеупорного кирпича (динаса), получения тонкой керамики, фильтрации воды, в металлургической промышленности.

Карбонатные породы, представленные известняками, мелом, доломитами, магнезитами, сидеритами, родохрозитами и некоторыми другими, имеют в природе довольно широкое распространение и составляют от объема всех осадочных пород земной коры около 20 %. Главнейшими их разновидностями являются известняки, мл доломиты и магнезиты

В зависимости от физико-механических свойств карбонатные породы используются в строительстве в качестве стеновых, бутовых и облицовочных камней, брусчатки, шашки, щебня. Они применяются в металлургической, цементной, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, стекольной, электротехнической, парфюмерной промышленности, а также в сельском хозяйстве для известкования кислых почв и добавки к корму скота и птиц.

Для производства цемента используются известняки и мел, состоящие из кальцита - главного компонента сырьевой шихты. Карбонатное сырье, применяемое для стекольного производства - известняки, мел и доломиты. Наиболее чистым видом кальциевого сырья является мел, который используется при варке лучших сортов стекла. Известняки и доломитовые известняки используются для получения извести, являющейся основной составной частью строительных растворов, а также в химической промышленности в производстве соды, карбида кальция, хлорной извести, едкого калия и натрия, кальцинированной соды.

В металлургической промышленности карбонатные породы широко применяются для получения огнеупоров и используются в качестве флюсов. Известняк используют при переработке нефелиновых пород на глинозем, причем для получения 1 т глинозема необходимо 5-7 т известняка. Известняк служит в качестве флюсов в цветной металлургии: для выплавки меди, сурьмы и олова, а также при переработке оксидно-силикатных никелевых руд.

К настоящему времени накоплены огромные объемы техногенных отходов при добыче и переработке полезных ископаемых, использование которых в народном хозяйстве может дать большой экономический эффект и имеет важное значение для решения экологических вопросов. Среди них выделяются вскрышные и вмещающие породы; отвальные хвосты и шламы обогатительных фабрик; шлаки, пыли и газы металлургических заводов; золо-шлаковые отходы от сжигания углей.

Классифицируя отходы горно-технологической промышленности по эффективности и направлениям их использования, степени изученности и другим признакам (рисунок 2).

Рисунок 2. Классификация горно-технологических отходов и техногенных месторождений

Можно сделать вывод о том, что только определенная их часть представляет собой ценное сырье, которое может быть вовлечено во вторичную переработку при существующем уровне развития техники и технологии. Поэтому вполне целесообразно среди горно-технологических отходов выделить первоочередные объекты, которые по аналогии с природными месторождениями могут быть названы техногенными месторождениями. Они представляют собой скопления отходов добычи и переработки минерального сырья с запасами от первых десятков тысяч до сотен миллионов тонн, при использовании которых можно получать дополнительные объемы товарной продукции с большим экономическим эффектом.

Некоторые авторы предлагают горно-технологические отходы разделить на две группы: балансовые - это отходы производства и потребления, использование которых экономически целесообразно при существующем уровне развития техники и технологии их переработки; забалансовые - отходы производства и потребления, использование которых экономически нецелесообразно, но в будущем они могут быть вовлечены в производственный процесс.

Утилизация минерального сырья техногенных месторождений эффективна. Однако при этом требуется глубокое изучение качества отходов, его соответствия государственным отраслевым стандартам и техническим условиям. Необходимы новые технологии дообогащения отходов и производства изделий из них. При реализации проектов использования отходов затраты обычно скупаются за 1,5-2 года.

Определение степени пригодности промышленных отходов предприятий и производств в качестве вторичных минеральных ресурсов, возможно, установить в результате их изучения геологическими методами, в том числе геохимическими, минералогическими, петрографическими, структурными, литологическими и другими. Эти методы должны комплексироваться с гидрогеологическим, инженерно-геологическим, физико-механическим изучением отходов. Промышленные отходы необходимо изучать с широким привлечением современного комплекса технологических испытаний по обогащению, пирометаллургическому и гидрометаллургическому переделам.

В целях полной характеристики отходов необходимо знать не только качественные параметры, но и иметь количественную оценку, что может быть достигнуто путем проведения на отвалах и хвостохранилищах комплекса геологоразведочных работ.

Итогом всех проведенных геолого0технологических исследований с экономической оценки полученного материала является определение эффективности использования отходов в промышленных масштабах.

Технико-экономические вопросы. Эти вопросы являются самыми главными при планировании освоения техногенных месторождениях. Они могут успешно решаться при таких минимальных промышленных содержаниях, которые обеспечивают рентабельную переработку техногенных отходов. Экономическая выгода от разработки их может быть обеспечена в двух случаях: резкий рост стоимости извлекаемых компонентов и применение принципиально новой высокоэффективной технологии переработки техногенного сырья.

Важнейшим фактором повышения рентабельности при освоении техногенных месторождений является комплексное использование минерального сырья с извлечением основных и попутных металлов, а также получение важнейших материалов для использования в промышленности и строительстве.

Техногенные отходы часто представляют собой сильно перемешанные породы глинисто-песчано-крупнообломочного состава, которые невозможно непосредственно применять для изготовления важных материалов для промышленности. Учитывая огромные запасы не фракционированного материала, слабую проработку вопросов их технологической проработки, необходима постановка специальных исследований для поисков заменителей традиционных материалов и получения, новых их видов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве.

Отходы обогатительных фабрик, представляющие мелкозернистый однородный материал, из которого возможно доизвлечь разные металлы, а также получить кварцевые, кварц-полевощпатовые, полевошпатовые, слюдяные, глиноземистые и другие концентраты. Еще более ценны для использования в промышленности отходы химико-металлургического производства и тепловых электростанций.

Помимо охарактеризованных выше, существует еще множество видов минерального строительного сырья: стекольные пески, керамические огнеупорные и тугоплавкие глины, гипс, различные полевошпатовые материалы, асбест, разнообразные горные породы для получения минеральной ваты и многие другие.

Разведанные запасы и добыча этих полезных ископаемых в целом по стране велики, но размещены очень неравномерно, что приводит к необходимости транспортировки сырья на большие расстояния, затрудняет ритмичную работу предприятий, удорожает стоимость конечной продукции. Кроме того, качество природного сырья не всегда отвечает требованиям промышленности.

Пути решения проблемы многочисленны. С одной стороны - это поиски и разведка новых месторождений, для чего в ряде районов имеются реальные перспективы; с другой - это освоение новых технологий обогащения, позволяющих расширить круг используемых видов природного сырья и получать высококачественные кварцевые, полевошпатовые и другие концентраты. И, наконец, третий путь - это использование техногенного сырья, утилизация которого открывает возможности усовершенствования территориального размещения ресурсов, повышения качества выпускаемых изделий, не говоря уже о том, что оно позволяет экономить природное сырье и улучшать экологическую обстановку в промышленных районах.

Одной из областей, имеющих широкие возможности для утилизации минерального техногенного сырья, является строительная керамика. В этой отрасли могут применяться золошлаковые отходы тепловых электростанций, отходы углеобогащения, хвосты флотации руд цветных металлов, отсевы камнедробления и др.

Возможность использования шлаков ТЭС и золы-уноса при производстве плиток для внутренней облицовки стен и фасадных плиток изучена в НИИСМИ (г. Киев). Составы масс на основе шлаков Приднепровской ГРЭС и технологические параметры производства апробированы в условиях Днепропетровского заводоуправления строительных материалов. В Монастырисском заводоуправлении строительных материалов в Тернопольской области из керамической массы на основе шлаков Бурштынской ГРЭС получены плитки высшей категории качества.

Для производства дренажных труб пригодны молотые отходы добычи и гравитационного обогащения, а также хвосты флотации углей. Трубы, полученные на экспериментально-исследовательском заводе НИИСМИ из отходов флотации углей с содержанием угля 20 % и более, имеют меньшую массу и более высокое водопоглощение черепка, чем изделия, изготовленные из глин. Это может позволить выпуск труб большей длины, что повысит производительность заводов и ускорит сооружение дренирующих систем. Несмотря на экономическую целесообразность использования отходов углеобогащения в качестве добавки в шихту для производства дренажных труб, широкого применения в этой отрасли они пока еще не нашли. На Репнинском заводе стройматериалов в Черниговской области велась отработка технологии производства с добавкой 10-15 % отходов флотации. В ближайшей перспективе намечено использовать отходы углеобогащения для получения дренажных труб в Канско-Ачинском и Экибастузском районах.

Довольно широко освоено промышленное получение керамических кварц-полевошпатовых концентратов из отходов обогащения редкометальных пегматитов на Урале, в Сибири, Казахстане. Высококачественное керамическое кварц-полевошпатовое сырье можно получать по уже разработанным технологиям из каолинит-полевошпато-кварцевых песков. Могут быть утилизированы при составлении керамических масс хвосты обогащения ильменитовых, вольфрам-молибденовых руд, каолина. Применяются в производстве керамических плиток в качестве интенсификаторов спекания нефелин-эгирин-полевошпатовые отходы обогащения редкоземельных руд. Они снижают температуру обжига, уменьшают водопоглощение, увеличивают механическую прочность. Исследования, проведенные Харьковским политехническим институтом, показали, что нефелин-эгирин-полевошпатовые отходы можно использовать также в производстве фасадных плиток и плиток для пола. В настоящее время такие керамические плитки выпускает Мукачевский завод в Закарпатье. Введение в состав масс комбинированных интенсификаторов спекания позволяет получать изделия специального назначения с высокими физико-механическими свойствами.

Перспективным керамическим сырьем, пригодным в качестве плавня, являются некоторые отходы камнедробления. Экспериментальные исследования отсевов переработки сиенитов Кальчикской дробильно-сортировочной фабрики в Донецкой области показали, что их шихтование с гидрослюдисто-каолинитовой глиной обеспечивает интенсификацию спекания. В 1984 г. на Славянском керамическом комбинате выпущено 60 тыс. м 3 керамических плиток с использованием отсева Кальчикской дробильно-сортировочной фабрики.

Широкое применение может получить техногенное сырье и в стекольной промышленности, где оно способно полностью заменять природный кварцевый песок. В этом отношении наиболее перспективны отходы обогащения некоторых полезных ископаемых - ракушняковых фосфоритов, россыпных руд цветных металлов, остаточных каолинов, каолинит-кварцевых песков. Разработанные технологии дообогащения этих отходов позволяют получать не только тарное, но и техническое, а также листовое стекло. Очень ценно то, что перечисленные виды стекольного техногенного сырья имеются в тех районах, где природного сырья недостаточно, а потребности в нем велики,- в Сибири, на Дальнем Востоке, в Средней Азии, в Ленинградской области. Тем не менее, они пока практически не используются.

Некоторые хвосты флотации руд цветных металлов могут находить применение в производстве тарного стекла. Исследования, проведенные в Грузии, показали, что темно-зеленое бутылочное стекло, полученное из отходов обогащения полиметаллических руд Квайсинского рудоуправления, не уступает по качественным показателям стеклу из привозных песков Таманского месторождения в Краснодарском крае. Установлена также пригодность для получения темно-зеленой стеклотары хвостов обогащения медноколчеданных руд Маднеульского ГОКа.

На основе металлургических шлаков и золошлаковых отходов тепловых электростанций получают ценный стеклокристаллический материал - шлако- и золоситаллы, характеризующиеся высокой износостойкостью, огнеупорностью, устойчивостью к действию кислот и щелочей, практически нулевым водопоглощением, декоративностью.

Шлакоситаллы получают из охлажденных доменных кислых и основных шлаков, которые вводятся в шихту в количестве 40-70 %, Технология применения огненно-жидких доменных шлаков пока не отработана.

Золоситаллы - ситаллы на основе золы-уноса тоже пока в СНГ не выпускаются, хотя имеется разработанная технология. Полученные на экспериментальном заводе Кировского филиала Росоргтехстрома золоситалловые плитки характеризуются хорошим качеством и невысокой себестоимостью.

Для производства ситаллов могут быть утилизированы также отходы обогащения титановых руд, хвосты мокрой магнитной сепарации.

Установлено, что отходы мокрой магнитной сепарации железных руд пригодны для получения марблитового стекла, пеностекла. Технология производства марблита с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов КМА апробирована на Константиновском заводе "Автостекло". На Гомельском стекольном заводе им. М.В. Ломоносова выпущена опытная партия пеностекла с использованием тех же отходов. Полученное пеностекло обладает не только звуко- и теплоизоляционными свойствами, но и высокой декоративностью.

В МХТИ им. Д.И. Менделеева на основе доменных шлаков разработан новый декоративный материал сигран - синтетический гранит, по фактуре напоминающий природный. Сигран можно изготавливать в виде непрерывной ленты и прессованных плит. Вводя красители, можно получать материал различной окраски. Плотность сиграна 2600-2800 кг/м 3 , прочность на сжатие - 500-550 МПа. Согласно проекту, выполненному для Калужского завода, технологическая линия по производству сиграна обеспечит выпуск 100 тыс. м 3 плиток в год.

Минеральные отходы могут эффективно использоваться не только в производстве керамических и стекольных изделий, но и многих других, строительных материалов.

В СНГ в больших количествах получают минеральную вату из шлакового щебня. При этом требуется значительно меньше сырья, топлива и электроэнергии, чем при ее производстве из горных пород. Для этих целей наиболее пригодны доменные кислые шлаки, богатые кремнеземом и глиноземом и не содержащие металл. Основные шлаки следует подкислять введением кислых присадок, повышающих текучесть. Применяются также электротермофосфорные шлаки. Требования к качеству шлакового щебня для производства минеральной ваты регламентируются ГОСТом 18866-81.

Минеральную вату можно получать и на основе отходов сжигания углей на тепловых электростанциях. Соответствующая технология разработана в НИИстромпроекте (г. Алма-Ата) .

Огненно-жидкие шлаки являются ценным сырьем для получения литых изделий - высокопрочных, износостойких и химически инертных материалов для облицовки технологических аппаратов и узлов. Производство литых изделий из шлаков значительно экономичнее, чем из природного сырья (базальтов, диабазов и др.). В СНГ оно пока развито слабо. Металлургические шлаки применяются в расплаве с горными породами для футеровки внутреннего слоя трубопроводов. Используются они также при изготовлении литых крупноразмерных плит. В небольших масштабах организовано промышленное производство шлаковой брусчатки на Урале на предприятиях Нижнего Тагила и Чусового.

Изучение возможности использования зол ТЭЦ для получения каменных строительных материалов проводится в ГИСе. Разработана технология применения измельченных шлаков ТЭЦ-22 (г. Москва) для получения наполнителя кислотостойких замазок.

Самые оригинальные и, пожалуй, самые ценные компоненты золы - алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ). Представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные шарики с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до нескольких сотен микрометров, в среднем около 100 мкм. Толщина стенок от 2 до 10 мкм, температура плавления 1400-1500°С, плотность 580- 690 кг/м 3 .

Образование микросфер происходит следующим образом. При высоких температурах силикатный минеральный материал углей плавится и в газовом потоке продуктов сгорания дробится на мельчайшие капли. Газовые включения в минеральных частицах при нагреве расширяются и раздувают отдельные капли расплава. Те капли, в которых внутреннее давление газа уравновешивается силами поверхностного натяжения, образуют полые шарики. В остальных происходит разрыв капель (внутреннее давление больше сил поверхностного натяжения), либо они остаются просто силикатными шариками, сплошными или пористыми (поверхностное натяжение больше внутреннего давления). Содержание АСПМ в золошлаковых материалах составляет обычно десятые доли процента, тем не менее, их «производство» на крупных теплоэлектростанциях России может достигать нескольких тысяч тонн в год.

Ценность АСПМ определяется тем, что они - идеальные наполнители. Для придания многим изделиям из пластмасс и керамики необходимых свойств, например для снижения плотности (веса) изделий, повышения тепло-, электро- и звукоизоляционных характеристик, в их состав вводятся изготавливаемые промышленными способами стеклянные микросферы. Это довольно сложный процесс. Так почему бы не использовать для этих целей уже готовые микросферы - АСПМ из золы угольных теплоэлектростанций? По приблизительным подсчетам, стоимость таких микросфер в десять и более раз ниже, чем микросфер, получаемых промышленными методами.

Полимерные материалы с микросферами (так называемые сферопластики) используются при изготовлении разных плавсредств (лодок, сигнальных буёв, блоков плавучести, спасательных жилетов и др.), мебели, радиопрозрачных теплоизоляционных экранов для радиотехнической аппаратуры, изоляции теплотрасс, дорожно-разметочных термопластиков и пр. АСПМ успешно применяют в составе цементных растворов при изготовлении «лёгких» бетонов и теплоизоляционных жаростойких бетонов. Имеются патенты на использование АСПМ при бурении геологоразведочных и эксплуатационных скважин. Это далеко не полный перечень возможностей применения АСПМ.

Важно отметить, что в отличие от других компонентов полые микросферы сравнительно просто выделяются из золы. Благодаря низкой плотности они всплывают на поверхность воды гидротехнических сооружений (прудов-отстойников, каналов оборотной воды) и могут быть собраны любыми, в том числе самыми простыми, средствами.

АСПМ пользуются большим спросом за рубежом. Однако готовые приобретать их фирмы требуют высокой степени очистки материала от посторонних примесей. Кроме того, во многих технологиях используются только микросферы определённого размера (диаметра). Всё это требует соответствующей производственной базы. Высокая стоимость подготовленных подобным образом АСПМ на мировых рынках минерального сырья гарантирует экономическую эффективность предприятий по их «производству».

Большие перспективы открывает использование продуктов камнеобработки в производстве отделочных материалов - клеевых плит, мозаичных плиток на цементном вяжущем и крошке. Для этих целей пригодны отходы обработки большинства облицовочных и пильных камней, многих рудоносных пегматитов.

В СНГ не нашел пока еще применения шлам камнеобработки -порошкообразный продукт резания, составляющий 25-33 % от массы поступающего на обработку камня. Однако установлено, что и этот шлам можно использовать, частично заменяя цемент в производстве прессованных облицовочных плит. Результаты промышленных испытаний показали, что при замене шламом до 50 % цемента получаются плиты более высокого качества, чем на одном цементе.

В заключение следует сказать, что возможности утилизации отходов обогащения полезных ископаемых, металлургических и электротермофосфорных шлаков, золошлаковых отходов тепловых электростанций значительно шире, чем было показано выше. Так, из отходов переработки слюдяных пегматитов можно получать мелкоразмерную слюду, из хвостов обогащения вермикулита - оливиновый концентрат, из отходов флотации сульфидно-никелевых руд - тальковый концентрат и т.д. Металлургические шлаки можно применять в стекольном производстве. Многие отходы переработки карбонатных пород пригодны для получения извести. Большие возможности использования в промышленности строительных материалов имеют отходы производства фосфорной кислоты - фосфогипсы, из которых можно получать гипсовые вяжущие, сульфатизированные цементы, известь и др. Отходы флотации серных медно-колчеданных, марганцевых руд, золошлаковые отходы тепловых электростанций являются хорошими наполнителями асфальтобетонов.

Утилизация техногенного сырья почти всегда очень эффективна. Однако при этом следует учитывать, что она требует тщательного изучения качества отходов, его соответствия требованиям государственных, отраслевых стандартов и технических условий. Требуются новые технологии дообогащения отходов и производства изделий из них. Для реализации проектов использования отходов необходимы немалые капитальные затраты.

Мы продолжаем серию публикаций о минерально-сырьевой базе промышленности строительных материалов регионов нашей страны. Информация любезно предоставлена Центральным научно-исследовательским институтом геологии нерудных полезных ископаемых (г. Казань).

КРАСНОДАРСКИЙ КРАЙ

Краснодарский край - один из крупнейших субъектов Южного федерального округа, где осуществляется 38% объема работ, выполненных в этом округе по договорам строительного подряда (44548, 3 млн. рублей в 2003 г.). Промышленность строительных материалов Краснодарского края занимает 4 место (8, 1%) в отраслевой структуре производства промышленной продукции после пищевой промышленности, электроэнергетики, машиностроения и металлообработки. Краснодарский край занимает второе место в России по производству строительного кирпича, четвертое - по производству цемента и пятое место - по выпуску сборных железобетонных изделий и конструкций.

Минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов края, представленная запасами и ресурсами строительного камня, песчано-гравийных материалов, строительных и силикатных песков, цементного сырья, карбонатных пород для производства извести, гипса, кирпичных и керамзитовых глин, создает благоприятные условия для успешного функционирования строительного комплекса (табл.1).

Государственным балансом цементного сырья в Краснодарском крае учтено б месторождений, в том числе 5 месторождений мергелей и одно - гидравлических добавок (опок). Суммарные промышленные запасы на 1 января 2004 г. составляют по мергелям - 744, 4 млн. т, по опокам - 86, 8 млн. т.

В разработку вовлечены 5 месторождений, одно месторождение мергелей находится в Государственном резерве. Суммарные промышленные запасы разрабатываемых месторождений составляют 582, 7 млн. т, из них 495, 9 млн. т - мергели и 86, 8 млн. т - опоки. Добыча за 2003 г. составила 4918 тыс. т (43% добычи в Южном федеральном округе), из них мергели - 4546 тыс. т и опоки - 372 тыс. т. Добычу и переработку цементного сырья в 2003 г. осуществляли ОАО "Новоросцемент" и "Верхнебаканский цемзавод".

В составе ОАО "Новоросцемент" действуют три цементных завода. Сырьевой базой заводов "Пролетарий" и "Октябрь" служит месторождение мергелей Новороссийское 1+3; цементный завод "Первомайский" разрабатывает Новороссийское 4 месторождение мергелей. Карьер "Нижнебаканский" действует на базе Баканского месторождения опок. Суммарный объем добычи составил в 2003 году 4081 тыс. т мергелей и 194 тыс. т опок, на базе которых произведено 5719 тыс. т клинкера, 2649 тыс. т цемента для потребителей Краснодарского края и других регионов. Спектр выпускаемого портландцемента чрезвычайно широк: портландцемент М-500, портландцемент М-бОО, портландцемент для асбоцементных изделий, тампонажный, быстрозатвердевающий, сульфатостойкий.

Сырьевой базой ОАО "Верхнебаканский цемзавод" является Верхнебаканское месторождение мергелей, где в 2003 г. было добыто 251 тыс. т мергелей, из которых произведено 164 тыс. т сульфатостойкого портландцемента.

Общий объем производства цемента в 2003 г. по Краснодарскому краю составил 2812, 9 тыс. т, или 42, 5% его выпуска в Южном округе.

Правом отработки Новороссийского 2 месторождения мергелей обладает ЗАО "Атакайцемент ЛТД"; в 2003 г. предприятие добычных работ не вело и цемент не производило.

Обеспеченность действующих горнодобывающих предприятий сырьем превышает 100 лет.

В крае расположены четыре месторождения гипса (Шедокское, Бесленеевское, Передовское, Передовское II) с суммарными запасами промышленных категорий 62410 тыс. т, одно из которых - Шедокское - с запасами 27687 тыс. т разрабатывается ОАО "Кубанский гипс-Кнауф". Это месторождение входит в число 12 главнейших в России месторождений. Добыча гипсового камня в 2003 г. составила 510 тыс. т (7, 8% добычи по России). Основным его потребителем является ЗАО "Белгородский гипс".

Гипс используется для производства гипсовых вяжущих материалов (строительного гипса) и добавок в различные виды цемента, кроме того, в небольших объемах может быть использован как облицовочный камень для внутренней облицовки зданий. Наибольшее применение имеет строительный гипс, получаемый путем обжига гипсового камня. Он применяется для штукатурных и отделочных работ, изготовления гипсокартонных перегородочных, звукопоглощающих плит и др. Строительный гипс должен отвечать требованиям СТ СЭВ 826-77, лимитирующим сроки схватывания, степень помола и предел прочности на сжатие. Высокопрочный гипс применяется для изготовления гипсобетона, строительных деталей и изделий. Гипсовое сырье должно отвечать требованиям ГОСТа 4013-82.

Минерально-сырьевая база строительного камня Краснодарского края насчитывает 31 месторождение с суммарными запасами промышленных категорий 261, 4 млн. куб. м. Промышленностью освоены 19 месторождений, из которых в 2003 г. разрабатывались 13. Общий объем добычи составил 1813 тыс. куб. м. Строительный камень представлен известняками, известняками-ракушечниками, песчаниками, мергелями. Наиболее крупные объемы строительного камня добываются ОАО "Медвежья Гора" на Дербентском месторождении известняковых конгломератов; карьероуправлением "Анапское" на Веселенском месторождении ракушечника; управлением строительства N 12 УМР - 406 на месторождении мергеля Шесхарис; ОАО "Автобан" на Кобзинском месторождении конгломерата, гравелита, песчаника; филиалом ООО "Магистраль - Кавказ" на участке Карьер ОАО "Неруд - АО" Адербиевского месторождения мергеля.К освоению подготавливаются Неберджаевское II месторождение известняка и Медвежьегорское - известкового конгломерата.

РОСТОВСКАЯ ОБЛАСТЬ

Ростовская область - один из крупнейших субъектов Южного федерального округа. Занимает 2 место в округе по площади занимаемой территории (после Волгоградской области) и численности населения (после Краснодарского края). По объему произведенной в 2003 г. промышленной продукции - 119, 9 млн. руб., область занимает 1 место в округе (26, 3%).

Основой научно-технического и экономического потенциала области являются машиностроительный (23, 9%), топливно-энергетический (17, 9%) комплексы и пищевая (23, 1%) промышленность.

Здесь осуществляется 14, 7% объема работ, выполненных в округе по договорам строительного подряда (17025, 4 млн. рублей в 2003 году). Доля промышленности строительных материалов области в отраслевой структуре производства промышленной продукции составляет 3, 6%.

Ростовская область занимает 2 место в округе по производству строительного кирпича, сборных железобетонных конструкций и изделий, 4 место по производству цемента.

Минерально-сырьевая база строительных материалов Ростовской области представлена запасами цементного сырья, карбонатных пород на известь, глино-гипса, строительных и пильных камней, тугоплавких глин для строительных изделий, керамзитового сырья и др. (табл. 2).

В Южном федеральном округе Ростовская область выделяется запасами и добычей строительного камня. Здесь сосредоточено 47, 8% промышленных запасов и 44, 5% добычи округа. Камень представлен осадочными породами - песчаниками и известняками, из которых получают щебень высокой и средней прочности.

По состоянию на 1.01.04 г. в области насчитывается 82 месторождения строительного камня с общими запасами промышленных категорий 865, 0 млн. куб. м (табл.1), из которых в разработку вовлечено 49 с суммарными запасами категорий А+В+С1 - 335, 6 млн. куб. м, однако разрабатывались в 2003 г. 22 месторождения. Добыча составила 3363 тыс. куб. м.

Наиболее крупные объемы строительного камня добываются ОАО "Волгодон" на месторождении Жирновское (известняк); ОАО "Апанасовское" на месторождении Провальское II (известняк); Дорожным предприятием "Путь" на месторождениях песчаников Мало-Гнилушанское, Аютинское I; ОАО "Богураевнеруд" на месторождениях Богураевское (известняк) и Репнинское (песчаник); ОАО "Нерудпром" на месторождении песчаника Мартынов Курган и др.

В нераспределенном фонде находятся 33 месторождения. Их суммарные запасы кат. А+В+С1 составляют 529, 4 млн. куб. м.

В строительном комплексе области широко применяются в горные породы, используемые для получения пильного камня. Применение пильных камней и блоков эффективно в разных климатических, сейсмических, экономических условиях. В промышленности используются в основном органогенные и органогенно-хемогенные оолитово-ракушечниковые разности известняков.

В соответствии с требованиями ГОСТа стеновые камни и блоки подразделяются на марки в зависимости от предела прочности на сжатие - от 4 кгс/кв. см для камней и от 25 кгс/кв. см для блоков до 400 кгс/кв. см.

В Ростовской области Государственным балансом учтено 4 месторождения пильного камня, представленного известняком-ракушечником. Суммарные запасы категорий А+В+С1 на 1.01.2004 г. составляют 2918 тыс. куб. м (5, 1% запасов округа). Разрабатываются два месторождения: Большелогское (ТОО "Стройматериалы"), и Пролетарское II (ООО "Донстройматериалы"). Суммарная добыча по области составила в 2003 г. 28 тыс. куб. м, или 15, 2% добычи пильного камня в Южном федеральном округе.

В Ростовской области учтены 3 месторождения тугоплавких глин с суммарными запасами кат. A+B+C1 14057 тыс. т (97, 3% запасов округа). В разработку вовлечены два месторождения, одно относится к Государственному резерву.

Тугоплавкие глины используются в основном для производства изделий грубой керамики (кислотоупорных изделий, канализационных труб, дренажных труб, плиток для полов и др.).

Единых требований к качеству сырья для грубой керамики, регулируемых государственными стандартами, нет. Пригодность устанавливается по качеству готовых изделий. На изготовление кислотоупорных изделий идут низкоспекающиеся среднепластичные тугоплавкие глины. Они не должны иметь включений серного колчедана, гипса и железистых соединений, а содержание карбонатов Ca и Mg не должно превышать 3%. Для производства канализационных труб и плиток для полов используются тугоплавкие глины, обладающие пластичностью, однородным составом и имеющие низкую температуру спекания и интервал спекания не менее 200°С. При обжиге глины должны давать плотный спекающийся черепок без деформации, пятен, выплавок и мушек.

В 2003 г. эксплуатировалось одно месторождение - Владимировское, входящее в перечень главнейших месторождений России. Разрабатывает его АООТ "Владимировский карьер тугоплавких глин". Запасы его - 10912 тыс. т (2, 6% запасов России, или 75, 5% запасов округа). Добыча за 2003 г. составила 255 тыс. т. Глины используются для изготовления технического и электротехнического фарфора, полуфарфора, фаянса, кислотоупорных и термокислотоупорных плиток, плиток для полов и для внутренней и наружной облицовки, канализационных труб, тугоплавкого и высокопрочного лицевого кислотоупорного кирпича. Предприятие обеспечено сырьем на 28 лет.

В Ростовской области расположены пять месторождений глино-гипса с суммарными запасами промышленных категорий 4107 тыс. т. Все они находятся в Государственном резерве.

Государственным балансом цементного сырья в Ростовской области учтено 1 месторождение карбонатных пород (мергели), находящееся в Государственном резерве. Запасы месторождения по промышленным категориям на 1.01.2004 г. составляют 25, 9 млн. т.

Минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов Краснодарского края и Ростовской области создает достаточно благоприятные предпосылки для обеспечения внутренних потребностей строительного комплекса и вывоза строительных материалов на окружной и федеральный рынки.

[Графические материалы:

Таблица 1 Важнейшие виды минерального строительного сырья в Краснодарском крае

Таблица 2 Важнейшие виды минерального строительного сырья Ростовской области

НАША СПРАВКА

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых (ФГУП "ЦНИИгеолнеруд") является базовой научной организацией Министерства природных ресурсов Российской Федерации в области геологического изучения, воспроизводства и использования минерально-сырьевой базы нерудных полезных ископаемых и обеспечения научно-методического сопровождения геологоразведочных работ (Распоряжение МПРРоссии N 144-р OT24.03.2003 г).

Институт был образован в 1945 г. в составе Казанского филиала АН СССР. В 1963 г. он вошел в систему НИИ Госгеолкома СССР (с 1965 г. Мингео СССР), в 1972 г. учреждение было реорганизовано во Всесоюзный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых (в составе Мингео СССР с функциями головного по неметаллам), а с 1992 г. он становится Центральным научно-исследовательским институтом геологии нерудных полезных ископаемых МПР России.

В ЦНИИгеолнеруде ведутся фундаментальные и прикладные исследования. Спектр этих исследований широк: геология, прогноз, поиск и оценка месторождений неметаллических полезных ископаемых. Институтом также осуществляются контрольно-арбитражные функции, проходят комплексные лабораторные исследования и технологические испытания.

В институте действуют несколько центров: геолого-экономический, специализированный компьютерно-аналитический и аналитике-технологический сертификационный испытательный центр.

Геолого-экономический центр осуществляет научно-методическое обеспечение геологоразведочных работ, обоснование программ развития и использования минерально-сырьевой базы неметаллических полезных ископаемых, разработку проектов нормативно-правовых и методических документов, сопровождение геологического изучения недр и лицензирования недропользования.

Специализированный компьютерно-аналитический центр является составной частью федеральной информационно-аналитической системы МПР России и обеспечивает ведение Государственного банка цифровой геологической информации и информации по отрасли неметаллов.

Аналитико-технологический сертификационный испытательный центр проводит комплекс аналитико-минералогических и технологических работ по изучению и оценке нерудного сырья.

ФГУП "ЦНИИгеолнеруд" имеет Свидетельство о государственной аккредитации научной организации N4109 от 7 июня 2002 г. (Министерство промышленности, науки и техники России).