В статье дан анализ утилизации отходов при производстве бетонов на примере закладочных смесей в горной отрасли. Систематизированы результаты лабораторных исследований влияния активации гранулированного доменного шлака в шаровой мельнице на прочность бетонной смеси. Установлена связь между параметрами подготовки доменного шлака в шаровой мельнице. Даны рекомендации по снижению расхода цемента на приготовление бетонов. Приведена экономико-математическая модель эффективности использования техногенных ресурсов в производстве товарной продукции.

УДК 504.55.054:622(470.6)

В.И. ГОЛИК, доктор техн. наук, профессор кафедры технологии разработки месторождений Северо-Кавказского государственного технологического университета, г. Владикавказ, С.Г. СТРАДАНЧЕНКО, доктор техн. наук, профессор, директор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, специалист в области разработки месторождений полезных ископаемых, Ростовская область, г. Шахты, С.А. МАСЛЕННИКОВ, канд. техн. наук, замдиректора по научно-исследовательской работе Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, Ростовская область, г. Шахты

Ключевые слова: бетон, закладочная смесь, исследование, гранулированный шлак, шаровая мельница, цемент, модель, эффективность
Keywords: concrete, backfill compound, research, granulated slag, ball mill, cement, model, efficiency

Эколого-экономическая эффективность хозяйственной деятельности предприятий существенно зависит от рационального использования имеющихся недорогих ресурсов.

Развитие природоохранных тенденций в сфере добычи полезных ископаемых и изменение экономической ситуации при строительстве зданий и сооружений способствуют поискам путей утилизации отходов при производстве бетонных смесей, например, в горной отрасли при погашении пустот закладкой [1].

К закладочным смесям предъявляются требования по набору прочности на одноосное сжатие, компрессионным свойствам, транспортабельности, растекаемости и экономичности.

Расход твердых компонентов на 1 м³ закладки составляет в среднем 1600 кг. Соотношение вяжущего компонента к заполнителю изменяется от 1:1,5 до 1:15 в зависимости от активности вяжущей составляющей, заданной прочности и других факторов.

Оптимальная крупность заполнителя устанавливается из условий транспортирования закладочной смеси и минимума затрат. Применение излишне крупного заполнителя приводит к закупориванию закладочного трубопровода и расслоению смеси, что снижает ее прочность. Максимальная крупность заполнителя не превышает 10 мм.

Соотношение между крупным и мелким заполнителем устанавливается с учетом толщины прослоя вяжущего раствора, разделяющего зерна заполнителя, при котором достигаются наибольшая подвижность и максимальная прочность закладки при минимальном расходе вяжущего. При нормированном расходе цемента в закладочные смеси для создания несущей фазы и связности вводят пластифицирующие добавки в виде тонкоизмельченных частиц, расход которых достигает 200-220 кг/м³.

В качестве критерия вяжущей способности принимают изменение прочности цементной закладки на основе стандартного заполнителя в зависимости от расхода цемента. Расход цемента достигает 230 кг/м³, а прочность смеси – 6 МПа.

Зависимость прочности цементной закладки от расхода цемента описывается выражением [2]:

,

где a, B – эмпирические коэффициенты, учитывающие марку цемента (табл. 1); σсц – собственная активность цемента, МПа.

Таблица 1. Значение эмпирических коэффициентов и собственной активности цемента

Марка цемента	Собственная активность цемента, МПа	Значение коэффициента
		a	B
300	8,1	0,25∙10-2	1,0
400	9,7	0,46∙10-2	0,9
500	11,2	0,74∙10-2	0,83
600	12,8	1,81∙10-2	0,67

Собственная активность цемента определяется по прочности смеси при расходе цемента 400 кг/м³, заполнителя – 1200 к/м³, воды – 400 л/м³ в возрасте 28 суток твердения. Относительно прочности эталонной закладки устанавливается вяжущая способность заменителей цемента.

Добавки – тонкомолотые шлаки, золы, шламы, известняковые породы – делят на активные заменители цемента и пластифицирующие добавки, создающие несущую среду при транспортировании.

К первой группе относятся гранулированные шлаки, зола с электрофильтров тепловых установок и другие низкомарочные вяжущие, имеющие невысокую гидравлическую активность, равную 1-3 МПа.

Ко второй группе относятся инертные материалы: скальные породы, пески, хвосты обогатительных фабрик и др.

Основным признаком вяжущих веществ является создание щелочной среды, а признаком активности – основность слагающих их минералов.

Гидравлическая активность шлаков характеризуется модулями:

основности

и активности .

Без предварительной активации подавляющее большинство шлаков не могут служить вяжущим веществом. Тонкость частиц шлака должна быть не менее 80% класса – 0,074 мм. Использование нестандартных заполнителей изменяет прочность цементной закладки [3]:

МПа,

где с – эмпирический коэффициент, учитывающий гранулометрический и минералогический состав, содержание глинистых, илистых и пылевидных частиц заполнителей (табл. 2).

Таблица 2. Значения коэффициента c

Заполнитель	Значение с
Стандартный вольский песок	1,0
Хвосты обогатительных фабрик	0,7-0,9
Дробленая порода с содержанием илистых и глинистых частиц до 30%	0,7-0,8
Отходы дробления известняка	1,14

Расход тонкомолотой добавки (шлак, зола, известняк, песок и др.) устанавливается в зависимости от крупности и пористости заполнителя (табл. 3).

Таблица 3. Расход вяжущего раствора

Крупность заполнителя, мм	Пористость заполнителя, %	Расход вяжущего раствора (QB), л/м3
5-10	40-42	600
2-5	38-40	500
0,08-2	25-38	400

Расчетная прочность смеси и фактическая прочность различаются на 15-40%.

Увеличение активности низкомарочного вяжущего при добавлении цемента:

где ∆₁, ∆₂ – коэффициенты пропорциональности, характеризующие активность различных шлаков (табл. 4).

Таблица 4. Значения коэффициентов ∆₁ и ∆₂

Гранулированный шлак	Значения коэффициентов
	∆1		∆2
	При расходе цемента, кг/м3
	0-200	250-400	0-200	250-400
ММК	0,565∙10-2	0,264∙10-2	0,215∙10-4	0,65∙10-5
ОХМК	0,3∙10-2	0,3∙10-2	0,8∙10-5	0,8∙10-5
ЧМЗ	0,265∙10-2	0,265∙10-2	0,95∙10-5	0,95∙10-5

С учетом коэффициента:

МПа

Полученная зависимость позволяет оценить дифференцированное участие шлаков и цемента в наборе прочности закладки.

Повышение качества вяжущих добавок обеспечивается их активацией, например, в шаровых мельницах [4-5].

Нами исследовано влияние активации граншлака на прочность бетонной смеси. Для исследований взяты два варианта бетонных смесей (табл. 5).

Таблица 5. Характеристика бетонных смесей

Компоненты	Единицы	Расход компонентов, кг/м3
		Вариант 1	Вариант 2
Шлакопортландцемент М-400	кг/м3	80	40
Гранулированный шлак	кг/м3	420	400
Песчано-гравийная смесь 50%	кг/м3	591	657
Дробленая порода 50%	кг/м3	614	682
Вода	л	570	350

Исследование включало в себя этапы:

— рассев материала на ситах с размером ячеек 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,15 мм;

— перемешивание и распределение на 10 опытов (табл. 6).

— мокрое измельчение навески граншлака;

— отбор навесок измельченного граншлака, сушка и классификация на ситах с размером ячеек 2,5; 1,6; 1,0; 0,63; 0,4; 0,315; 0,2; 0,16; 0,1; 0,063; 0,05 мм;

— классификация молотого граншлака рассевом на сите 0,06 мм;

— перемешивание и затворение водой;

— определение физико-механических свойств (объемный вес, водоотделение, предельное напряжение сдвига);

— формирование контрольных бетонных кубов;

— испытание контрольных кубов на сжатие на прессе и фиксация результатов.

Таблица 6. Программа исследований

Вариант	Опытов	Срок набора прочности, дни	Количество проб	Время измельчения шлака, мин.
1	10	28, 90, 360	90	10, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39
2	8	28, 90, 360	72	10, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33

Для получения однородной представительной пробы для состава № 1 гранулированный шлак (200 кг) рассеяли на ситах с размером ячеек 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,15 мм. Фракция +10 мм в дальнейших опытах не использовалась.

После рассева шлака каждая фракция разделена на навески (5 кг) по количеству опытов (табл. 7).

Таблица 7. Содержание фракций в навеске

Класс, мм	Выход, г	Выход, %
+5	540	10,7
+2,5	915	18,3
+1,25	715	14,2
+0,63	915	18,3
+0,315	915	18,3
+0,15	650	13,0
-0,15	360	7,2
ВСЕГО	5010 г	100

Удельная поверхность исходного немолотого гранулированного шлака – 9,38 м²/кг.

Исследовались составы с тонкостью помола граншлака от 20 до 60% выхода класса -0,08 мм. Интервал изменения выхода класса – 5%. Определено время мокрого измельчения в лабораторной шаровой мельнице.

Гранулометрический состав, удельная поверхность активированного граншлака и ее приращение приведены в табл. 8.

Таблица 8. Характеристика активированного в мельнице шлака

Время активации	Выход класса -0,08 мм, %	Ситовый анализ, класс, мм, выход, %												Удельная поверхность, м2/кг	Приращение удельной поверхности, м2/кг
		2,5	1,6	1,0	0,63	0,4	0.315	0,2	0,16	0,1	0,063	0,05	-0,5
10	20	0,17	0,09	0,17	1,31	12,15	15,0	20,79	10,68	12,15	12,99	2,13	12,34	27,34	17,96
15	26	0,32	0,1	0,1	0,11	2,13	7,34	19,15	13,96	16,73	17,84	3,05	19,17	33,67	24,29
18	30	0,4	0,6	0,3	0,1	2,0	7,0	18,7	13,0	16,78	17,66	3,15	20,31	33,86	24,48
21	35	0,35	0,25	0,26	0,12	0,75	3,95	16,18	13,65	17,55	19,62	8,32	19,0	36,05	26,67
24	40	0,19	0,12	0,11	0,12	0,4	2,27	11,95	13,09	19,09	21,36	8,16	23,14	38,18	28,8
27	42	0,16	0,02	0,02	0,02	0,27	2,23	11,92	11,90	19,32	21,55	7,94	24,65	38,68	29,31
30	47	0	0	0,02	0,02	0,12	0,96	9,26	11,53	18,88	23,23	10,29	25,69	40,04	30,66
33	52	0	07	0	0,06	0,09	0,35	5,44	8,74	19,13	26,06	12,63	27,50	41,94	32,56
36	55	0	0	0	0,04	0,04	0,21	3,99	7,87	18,35	28,36	18,85	22,29	42,54	33,16
39	60	0	0	0	0,04	0,02	0,09	2,68	6,58	15,86	28,72	14,76	31,25	43,31	33,93

На графике выхода активного класса граншлака в зависимости от времени активации видна закономерная связь между обоими параметрами подготовки (см. рис.).

Характеристика составов вариантов 1 и 2 и результаты их испытаний сведены в табл. 9.

Таблица 9. Результаты испытаний бетонных смесей

Навески	Время активации	Выход класса -0,08 мм, %	Объемный вес смеси	Водоотделение, %	Предельное напряжение сдвига, Па	Прочность кубов, МПа, дни
						28	90	360
Вариант 1
I	10	20	2,0	1,7	100-130	3,2	4,9	5,9
2	15	26	2,1	2,2	80-90	6,8	10,3	15,0
3	18	30	2,0	1,7	90-100	4,6	6,9	9,7
4	21	35	2,0	1,2	70-80	5,0	8,1	9,5
5	24	40	2,0	1,5	70-80	6,9	8,6	11,4
6	27	42	2,1	2,2	60-110	6,9	9,6	13,1
7	30	47	2,1	1,0	60-80	5,4	9,9	11,1
8	33	52	2,0	2,2	50-90	5,6	10,1	11,5
9	36	55	2,1	2,2	55-70	5,7	10,1	12,8
10	39	60	2,1	1,0	55-75	6,6	10,2	13,1
Вариант 2
I	10	20	2,0	4,0	130-160	1,4	2,5	2,8
2	15	35	2,0	3,0	130-140	1,7	2,7	3,4
3	18	40	2,0	2,0	100-130	24	3,2	4,2
4	21	25	2,0	4,0	I10-140	2,45	3,4	4,1
5	24	45	2,0	3,5	90-130	3,2	3,9	5,6
6	27	55	2,0	2,0	100-110	3,6	4,2	6,9
7	30	75	2,0	3,0	80-100	3,6	4,6	6,4
8	33	60	2,0	3,0	90-90	3,1	7,0	8,1

Экспериментально определено, что при измельчении граншлака в шаровой мельнице с увеличением тонкости помола граншлака с 20 до 40% класса -0,08 мм прочность контрольных образцов возрастает:

• для состава I с 3,2 до 5,0 МПа в возрасте 28 дней и с 4,9 до 8,0 МПа в 90 дней;

• для состава 2 с 1,4 до 2,4 МПа в 28 дней и с 2,5 до 3,2 МПа в 90 дней.

С увеличением тонкости помола до 60% прочность бетона возрастает:

• для состава I с 3,2 до 6,6 МПа в 28 дней и с 4,9 до 10,0 МПа в 90 дней;

• для состава 2 с 1,4 до 3,6 МПа в 28 дней и с 2,5 до 4,5 МПа в 90 дней.

Увеличение выхода активных фракций измельченного в шаровой мельнице граншлака с 30% до 50-60% и снижения расхода цемента на приготовление смесей можно достичь за счет:

• увеличения времени измельчения и активации компонентов в мельнице;

• установки гидроциклонов для утилизации крупных классов граншлака.

Эффективность повторного использования техногенных ресурсов может быть определена решением экономико-математической модели, отличающейся более полным учетом основных экономических факторов [6-8]:

=,

при Πprt=At(Цдt-Cдt),

где Πprt – прибыль в расчетном году; tc и tp – время на модернизацию производства, лет; Kct – капитальные затраты на модернизацию в t-м году, руб.; At – производственная мощность предприятия при модернизированном варианте технологии в t-м году, т/год; ΕHt – коэффициент, учитывающий процентную ставку на кредит для выполнения подготовительных работ в t-м году, доли ед.; Цдt – затраты на производство в t-м году, руб./т; Cдt – ценность продукции в t-м году, руб./т.

Использование технологий активации материалов без значительных затрат позволяет увеличить объем производства, вернуть в хозяйственный оборот территории хранилищ отходов, уменьшить негативное влияние отходов производства на экосистемы окружающей среды [9-12]. Обоснование экономической целесообразности и технологической возможности мероприятий, направленных на снижение стоимости основной продукции за счет использования отходов производства, является одной из актуальных научных проблем.

Направление повышения активности компонентов бетонных смесей развивается в рамках механохимической технологии [13-17].

Выводы:

Активация гранулированного шлака в шаровой мельнице с тонкостью помола 40% выхода класса -0,08 мм повышает прочность бетона в 1,5 раза, а с тонкостью помола до 60% – в 2 раза.

Увеличения выхода активных фракций гранулированного шлака до 60% и снижения расхода цемента на приготовление смесей можно достичь за счет изменения режима работы бетонного узла.

Применение инновационных технологий с рациональным использованием компонентов бетонных смесей является резервом оздоровления экономики производства.

Библиографический список

1. Ляшенко В.И., Голик В.И., Штеле В.И. Создание и внедрение малозатратных ресурсосберегающих методов, средств и технологий на горных предприятиях. – М.: ЦНИИ экономики и информации, 1995, Обзорная информ. – 95 с.

2. Бубнов В.К., Голик В.И., Капканщиков А.М. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. – Акмола, 1995, – 505 с.

3. Голик В.И. Новые технологии добычи металлов / В.И. Голик, Г.Т. Гуриев, О.З. Габараев. – Владикавказ: Терек, 1999, – 143 с.

4. Parker H.M. Reconciliation principles for the mining industry // Mining Techn. 2012. Vol. 121 (3), pр. 160-176.

5. Harris J.M., Roach B. Environmental and Natural Resource Economics. A Contemporary Approach. – M.E. Sharpe, Inc., Armonk, – New York, 2013.

6. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Geomechanical terms of use of the mill tailings for preparation // Metallurgical and Mining Industry, № 4, 2015, рр. 321-324.

7. Golik V.I., Hasheva Z.M. Economical Efficiency of Utilization of Allied Mining Enterprises Waste // The Social Sciences 10 (5): 682-686, Medwell Journals, 2015.

8. Golik V., Doolin A., Komissarova M., Doolin R. Evaluating the Effectiveness of Utilization of Mining Waste // International Business Management 9 (5). 1993-5250. Medwell Journals, 2015.

9. Голик В.И., Ермоленко А.А., Лазовский В.Ф. Организационно-экономические проблемы использования природных ресурсов Южного федерального округа. Учебное пособие. – Краснодар. ЮИМ, 2008.

10. Matthews T. Dilution and ore loss projections: Strategies and considerations // 2015 SME Annual Conference and Expo and CMA 117th National Western Mining Conference – Mining: Navigating the Global Waters. – Denver, United States, 15-18 February 2015, pр. 529-532.

11. Сергеев С.В., Зайцев Д.А. Методика контроля НДС закладочного массива как инструмент оценки геомеханической ситуации в слоевой системе разработки неустойчивых руд // Горный журнал, №8, 2015, с. 90-95.

12. He Man-chao, Xie He-ping, Peng Su-ping, et al. Study on rock mechanics in deep mining engineering // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, №16, 2005, p. 2804-2813.

13. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, 2015, №5, pp. 401-405.

14. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Burdzieva О. Metal deposits combined development experience // Metallurgical and Mining Industry, №6, 2015, с. 591-594.

15. Golik Vladimir, Komashchenko Vitaly, Morkun Vladimir, Burdzieva Olga. Metal extraction in the case of non-waste disposal of enrichment tailings // Metallurgical and Mining Industry, №10, 2015, рр. 213-217.

16. Golik V.I., Stradanchenko S.G, Maslennikov S.A. Experimental Study Of Non-Waste Recycling Tailings Ferruginous Quartzite // Research India Publications, №15, 2015, pp. 35410-35416.

17. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore beneficiation codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, №17, 2015, pp. 38105-38109.

Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки ­России №1.10.14 по теме «Ресурсосберегающие и экологически безопасные технологии освоения подземного пространства на основе комплекс­ного мониторинга всех стадий жизненного цикла инженерных объектов и систем» и гранта МК-6986.2015.8 по теме «Разработка инновационных конструктивных и технологических решений при креплении вертикальных стволов шахт и рудников».