Наука в Крыму
Труды Крымской Академии Наук
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

С.И.Федоркин - НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗВЕСТНЯКОВЫХ ОТХОДОВ КАМНЕДОБЫЧИ

В настоящее время из недр земли извлекается до 15 млр.т горной массы в год, из которой в хозяйственный оборот вовлекается только 5 млр.т, остальные две трети остаются в отвалах. Еще меньшее количество сырья (около 7% всей добычи) расходуется на производство готовой продукции. Таким образом, извлекаемая из недр и используемая горная масса - основной источник техногенного сырья (5,5 млр.т в год). Юг Украины является высокоразвитым промышленным районом. Он насыщен множеством предприятий химической, горнодобывающей, пищевой отраслей и предприятиями строительной индустрии, на которых образуется значительное количество многотоннажных отходов, ухудшающих экологическую обстановку региона и требующих утилизации. Развитие народного хозяйства Украины сопровождается увеличением территорий, занятых различными промышленными и строительными объектами. В частности, интенсивное развитие горнодобывающей промышленности привело к тому, что относительная площадь нарушенных земель в настоящее время в 20 раз выше, чем в целом по странам СНГ. По данным Кабинета Министров Украины общая площадь нарушенных земель в Украине составляет около 265 тыс.га, отработанных - 130 тыс.га, из которых 122 тыс.га подлежат рекультивации. Природно-экономический потенциал Крыма характеризуется высокой концентрацией на небольшой территории (26 тыс. кв. км) различных видов природных ресурсов - минеральных, сельскохозяйственных, рекреационных. Современная структура производства строительных материалов Крыма сформировалась в начале 80-х гг. В общей доле стеновых материалов значительный объем составляют изделия из пильного известняка. Особенности геологической истории Юга Украины определили богатство и разнообразие запасов осадочных пород. Это отложения известняков- ракушечников, нуммулитового, мшанкового, оолитового, рифового, крымбальского и мраморовидного известняков. Все эти породы различаются разнообразием физико-механических свойств. Средняя плотность изменяется от 890 кг/м3 (желтый известняк-ракушечник) до 2700 кг/м3 ( мраморовидный известняк), предел прочности при сжатии составляет 0,4-182,3 МПа, пористость колеблется от 1,4 до 66% . Основной объем природного камня из известняка-ракушечника разрабатывается в Одесской области и в Крыму. Доля Крыма в общего- сударственном производстве стеновых материалов из естественных пород составляет 67 %. В настоящее время здесь эксплуатируется 30 карьеров по добыче пильного известняка с годовой производительностью более 3,5 млн.м3 . Ежегодно отвалы горнодобывающих предприятий увеличиваются на 1 млн.м3 известняка, и лишь половина этих отходов используется как вторичное сырье. Существующие направления утилизации известняковых отходов достаточно примитивны, неэффективны и не могут заинтересовать предприятия. Поэтому видится иной подход к решению данной проблемы. Необходимо создать технологии, для которых отходы известняка стали бы основным сырьевым материалом, а отвалы - новыми техногенными карьерами. Добыча известнякового природного камня осуществляется сейчас двумя способами: открытым - в карьерах и подземным - в горных выработках. Подземный способ является предпочтительным с экологической точки зрения. Каждый способ добычи природного камня отличается своей технологией, которая в свою очередь определяется физико-механическими свойствами пород и условиями их залегания. Если физико-механические свойства и химический состав отходов в процессе добычи камня практически не изменяются, то их гранулометрический состав зависит от технологии добычи. Гранулометрический состав отходов имеет большое значение для выбора технологии их переработки и модификации. Одним из наиболее распространенных способов переработки сырья, в том числе и вторичного, в производстве строительных материалов является его дробление и измельчение, то есть механическая обработка. Механическая энергия относится к числу наиболее широко применяемых в технологии видов энергии. Количество измельчаемых веществ во всем мире превышает 1 млр. т в год. По некоторым данным, около 4% мировых энергетических затрат приходится на операции измельчения различных технических продуктов. Измельчение твердых материалов (помол) уже давно превратилось в особую отрасль технологической науки, которая занимается механическими силами, необходимыми для разрушения структуры твердых тел, а также исследованием и конструированием рациональных дробилок и мельниц. Исследования и промышленная практика показали, что физико- химические и технологические процессы, происходящие в твердых веществах или с их участием, в большинстве случаев протекают тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. Отсюда - общее стремление к более тонкому помолу. Так как тонкий помол относительно дорог и требует больших энергетических затрат, то в технологиях выбирают оптимальное значение тонины помола. В начале столетия результаты помола оценивались по изменению гранулометрического состава, а затем, в основном, по увеличению общей поверхности вещества. В последние десятилетия с открытием явления механической активации при измельчении материалов в агрегатах с высокой интенсивностью нагружения частиц появилась возможность по-новому взглянуть на технологический процесс переработки сырья. Многочисленными исследованиями установлено, что процесс активации материалов заключается в изменении энергетического состояния материала под действием механической энергии. Он связан с изменением структуры кристаллической решетки вещества, аморфизацией поверхностных слоев частиц, различными видами излучения, изменением видов химической связи на поверхности и в глубинных слоях вещества, электризацией поверхности и другими процессами. Механоактивированные вещества никогда не являются конечными продуктами, а только промежуточными звеньями конкретной технологии. И.Хинт назвал процесс активации веществ большой механической энергией, четвертым компонентом технологии, наряду с изменением температуры и давления, механической и химической диспергацией веществ и катализом. Имеющиеся научные и практические данные о влиянии механической активации высокоскоростным измельчением на свойства обработанных твердых материалов и изменение технологических параметров некоторых процессов позволяют надеяться на вовлечение в производство вторичного сырья, используя четвертый (по Хинту) компонент технологии. Применение высокоскоростного измельчения позволяет иначе представлять механизм структурообразования и формирования свойств материалов и осуществить нетрадиционные подходы при разработке технологических процессов переработки отходов камнедобычи в стеновые материалы. Рассмотрим некоторые направления получения бесцементных стеновых материалов из отходов камнедобычи и других производств с использованием гидрофобизации, безводной силикат-натриевой связки и высокоскоростного измельчения. Среди основных свойств, которым должны удовлетворять стеновые материалы, являются высокая механическая прочность, морозостойкость и водостойкость. Все эти свойства связаны друг с другом и в традиционных искусственных материалах определяются качественными характеристиками вяжущего. Поскольку вяжущие вещества являются самыми дорогими компонентами сырьевой смеси, производители стремятся максимально уменьшить их расход и, тем самым, снизить себестоимость изделий. А возможно ли при переработке известняковых отходов камнедобычи обойтись без применения дорогостоящих вяжущих? Известно, что при использовании полусухого прессования сырьевых смесей из глин, суглинков, силикатных смесей, предел прочности при сжатии высушенного сырца достигает 3,0-8,0 МПа, что позволяет по прочностным показателям использовать эти материалы для возведения стен. Однако по показателям морозостойкости и водостойкости такие материалы не удовлетворяют существующим требованиям. Одним из эффективных способов повышения морозостойкости, коэффициента размягчения и снижения водопоглощения является гидрофобизация стеновых материалов или сырьевых смесей кремнеорганическими веществами. Определенные кремнеорганические соединения образуют на различных материалах полимерные водоотталкивающие пленки, т.е. обладают способностью гидрофобизировать гидрофильные поверхности. К таким соединениям относятся органилхлорсиланы, тетраалкоксисиланы, органилсиликонаты натрия, полиорганилгидросилоксаны и другие. Наибольшее распространение в строительной индустрии получили органилсиликонаты натрия (ГКЖ-11, ГКЖ-10, ГКЖ-12, ГКП-10, ГКП-11 и др.) Из специально подготовленной сырьевой смеси влажностью 8% на прессе ПС- 10 формовали образцы-цилиндры диаметром 0,05 м и высотой 0,06 м при удельном давлении прессования 25 МПа. В результате проведенных исследований установлено, что ввод гидрофобной добавки ГКЖ-94 в количестве 0,1-0,15% позволяет получить прочный (7-10 МПа), водостойкий и морозостойкий стеновой материал (Кр 0,8 , Мрз - более 50 цикл.) Анализ физико-механических свойств полученных материалов и их структуры подтверждает взаимное предположение о возможности получения бесцементных стеновых материалов путем сочетания гидрофобизации и механоактивации сырьевых компонентов высокоскоростным измельчением. В настоящее время достаточно глубоко изучен вопрос получения бесцементных стеновых материалов на основе карбонатных пород известняка и мела с использованием безводной силикат-натриевой связки (силикат- глыбы). Интерес к этому виду вяжущего связан с распространенностью сырьевых материалов для его получения и более низкой, по сравнению с цементом, энергоемкостью. Высокая химическая активность аморфного кремнезема по отношению ко многим веществам позволяет при тепловой обработке ( запаривании и сушке ) изделий из смесей карбонатных пород ( доломита, известняка, мела и т.п.) и тонкодисперсной силикат-глыбы достичь омоноличивания этих систем с получением водонерастворимых новообразований и, следовательно, водостойких материалов. Использование эффекта механоактивации при производстве стеновых материалов на основе известняковых отходов камнедобычи с применением силикат-глыбы и добавки пиритных огарков позволило получить качественные изделия с пределом прочности при сжатии до 58 МПа. Проведенные исследования показали, что одним из эффективных направлений переработки известняковых отходов камнедобычи является применение в технологических процессах производства механоактивации сырьевых смесей.