Показано, что потребности строительной индустрии в сырье для изготовления строительных материалов могут удовлетворяться путем использования отходов горно-металлургического производства с получением комплексного эколого-экономического эффекта. Перспективы вовлечения металлосодержащих отходов связаны с подготовкой по механохимической технологии.
УДК 504.55.054: 622(470.6)
Ю.В. ДМИТРАК, доктор техн. наук, профессор, ректор, В.И. КОМАЩЕНКО, доктор техн. наук, профессор кафедры «Горное дело», Б.В. ДЗЕРАНОВ, канд. геол.-мин. наук, доцент кафедры «Поиски и разведка», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (ГТУ), г. Владикавказ
Ключевые слова: строительные материалы, отходы, горно-металлургическое производство, экология, экономика, механохимическая технология
Keywords: building materials, waste mining metallurgical production, ecology, economy, mechanical engineering
Развитие строительства форсирует спрос на строительные материалы, в связи с чем актуализируются вопросы утилизации отходов промышленного производства [1-4].
Твердые отходы промышленного производства давно используются в качестве материалов для изготовления кирпичей и блоков различного назначения при строительстве. При соблюдении правил защиты стен зданий от влаги их применяют для изготовления стеновых материалов в различных условиях.
В лаборатории научно-учебного центра МГГУ и на Московском заводе сухих смесей выполнен комплекс исследований с целью оценки возможности использования отходов горно-металлургического и энергетического комплексов для изготовления прессованных стеновых материалов и подбора оптимальных композитов для формовочных смесей.
Испытывали образцы в виде кубиков размерами 6,8х6,8х6,8 см с различными компонентами смеси, полученных методом полусухого формования на механическом прессе.
Используемые в качестве заполнителей пески характеризовались повышенным содержанием пылевидных (0,005-0,05 мм) и глинистых (<0,003 мм) частиц.
Экспериментально установлено влияние формы и размеров частиц песка на качество бетонных изделий. При прочих равных условиях с увеличением крупности частиц песка прочность бетона увеличивается (рис. 1).
Качество формовочной смеси улучшается при введении в ее состав отходов до 15-20% по объему крупных крепких частиц. Введение в состав смеси глинистых компонентов улучшает пластичность стеновых материалов и снижает водопоглощение смеси (рис. 2).
С увеличением содержания глинистых частиц в смеси снижается размягчение бетона (рис. 3).
Сокращение объема отходов достигается освоением малоотходных и безотходных технологий промышленного производства [5-8].
Основным направлением рационального природопользования является совершенствование технологических процессов и оборудования с меньшим уровнем образования отходов, а также утилизация отходов.
Так, на Лениногорском комбинате (Казахстан) из отходов переработки руд получали столько металлов в год, сколько давала переработка 3 млн тонн руды. На Усть-Каменогорском комбинате извлекали 17 из 20 полезных компонентов, содержащихся в сырье, и выпускали более 23 видов продукции. При этом полученный при утилизации отходов металл обходился в 2,5 раза дешевле, чем из первичного сырья. Считается, что за счет комплексного использования извлеченных из недр ресурсов можно дополнительно получать около 25% металлической продукции.
Отходы добычи руд используются в строительной индустрии для планировки территорий, подсыпки дорог, производства строительной керамики, а содержащие углерод отходы – для изготовления стеновых материалов и легких пористых заполнителей.
Сланцы железорудных месторождений пригодны для производства как строительного щебня, так и щебня – заполнителя в бетоны марок до 500. Отходы обогатительных фабрик используют в производстве ячеистых бетонов с объемной массой 400-1000 кг/м3.
Продуктами переработки нефелиновых хвостов являются глинозем и цемент. Нефелиновый шлам используется в качестве вяжущего в производстве силикатного кирпича.
Хвосты обогащения медно-пиритовых руд горно-обогатительных комбинатов используют при производстве силикатных стеновых и облицовочных материалов, стекла, асфальтобетона. На Авчальском заводе силикатных материалов (Грузия) выпускают фасадный облицовочный материал, на 95% состоящий из отходов обогащения.
Примером безотходной утилизации отходов горного производства в строительстве является практика рудника Пршибрат в Центральной Богемии. Гравий высокого качества получали из отвалов урановых рудников, попутно извлекая металлы.
К крупнейшим производителям твердых отходов относятся угольные предприятия. Породы и хвосты обогащения угля используют в строительстве в качестве добавок к бетонным смесям. Породы угольных месторождений различают по петрологическому составу, механико-физическим свойствам, гранулометрическому составу, содержанию влаги и золы и другим особенностям. Они характеризуются пористостью – примерно 35%. Вследствие наличия горючих материалов, эти породы являются источником пожаров. Породы используют при восстановлении нарушенной горными работами поверхности земли и при создании валов в основании оползней.
Наиболее часто породы находят применение при строительстве шоссейных и железных дорог, насыпей водоемов и строительных площадок. При уплотнении используемых отходов бульдозерами можно достичь удельного веса 1,9 т/ м3, что эквивалентно пористости 26%. В случае добавления в породу золы энергостанций, песка, удельный вес хвостов флотации можно увеличить до 2,1 т/м3 (пористость 20%). Для целей строительства больше всего подходят алевролиты, песчаники и кварциты.
Для изготовления заполнителей облегченных бетонов используется сырье с более высоким содержанием органического вещества. Керамзит изготавливают из глин с содержанием органических веществ, которые в процессе горения вспучиваются, создавая пористую структуру.
В Польше построен завод по переработке пород и угольных хвостов в искусственные агрегаты. В Бельгии перерабатывают угольные хвосты с размером частиц от 1 до 80 мм. Во Франции горелые отходы используют для строительства насыпей, засыпки впадин, сооружения дамб.
Отработанные породы находят широкое применение в производстве кирпича и кирпичных элементов. В этом случае они должны содержать горючие вещества, сами не являясь горючими. Соединения углерода сгорают в процессе обжига, в результате чего продукт становится легче.
Примером многостороннего применения отходов является разработанный в Венгрии метод. Процесс основан на обогащении содержимого угольных отвалов. Конечными продуктами являются уголь и вторичные отходы из сланцев, используемых в производстве цемента, строительной керамики, кирпича и легких агрегатов (сланцевый порит) для добавления в бетоны. Фракции размером от 3 до 30 мм используют в качестве закладочных материалов для шахт.
Ежегодно в мире добывается и перерабатывается более 120 млрд тонн минеральных ископаемых. Используемые компоненты составляют максимум 30-40%, а остальное превращается в отходы [9-12]. Повторная переработка техногенных минеральных скоплений позволила бы миру в течение ряда десятилетий не добывать новое минеральное сырье [13-14].
На предприятиях КМА раздельно складируют скальные включения в железистые кварциты, представляющие ценный полупродукт для производства строительного щебня.
В Австралии производят агрегат, способный превращать в щебень куски скального материала объемом до 2 кубометров.
Практика утилизации отходов типизирована в табл. 1.
Таблица 1. Направления использования отходов горных предприятий в строительстве
| Направления | Производственные процессы | Виды отходов |
| Производство строительных материалов | Дробление, помол, сортировка, обжиг, отлив и т.д. | Обедненные шлаки плавки, клинкер, красный шлам, хвосты обогащения |
| Закладка выработанного пространства | Подготовка закладочной смеси | Хвосты обогащения, обедненные шлаки, скальные и полускальные породы |
| Дорожное строительство | Дробление, отлив плит и камней | Полускальные и скальные породы, литые шлаки |
| Засыпка дамб, карьеров, провалов, оборудование строительных площадок | Возможна сортировка | Вскрышные и вмещающие руду породы |
| Рекультивация строительная | Насыпка плодородной почвы, посев растений | Отвечающие санитарным требованиям отходы |
Отвальные продукты могут быть разделены на категории, внутри которых они различаются по химическому, гранулометрическому составу, товарному виду и т.п. (табл. 2).
Таблица 2. Систематизация используемых отходов обогащения руд
| Категория | Товарный вид |
| Каолинитосодержащие отвальные продукты |
Каолиновый продукт Глинистый продукт |
| Кварцсодержащие отвальные продукты |
Кварцевые хвосты Сухой кварцевый продукт |
| Неглинистые алюмосиликаты |
Нефелин-эгирин-полевошпатовый продукт Полевошпатовые хвосты Топазовый продукт Турмалиновый продукт Эгириновый продукт |
| Металлосодержащие отвальные продукты |
Цирконовый продукт Хромитовый продукт |
Среди различных отходов горно-обогатительных комбинатов значительную долю занимают отходы обогащения фосфоритовых руд. Они используются для получения стеновых материалов способом полусухого формования с добавлением в формовочную смесь 15-30% по массе глины гидрослюдистого состава из пород вскрыши. Перспективно использование и нефелиновых шламов в производстве строительных материалов.
Пиритные огарки образуют в настоящее время большие по объему отвалы. Они широко вовлекаются в производство строительных материалов, изделий и конструкций. Большая часть их используется в качестве минерализующих добавок при получении цемента высоких марок, а также для гранулирования сыпучих материалов.
Особенность отходов металлургического комплекса заключается в том, что это техногенное сырье прошло высокотемпературную обработку, кристаллические структуры в отходах сформированы и не содержат органических примесей [15-16].
Шлаки доменного производства отличаются по имеющимся в них примесям, представляя собой в основном силикаты кальция. Химический состав доменных шлаков весьма сложен, в них встречается до 30 различных химических элементов, влияние которых на свойства шлака зависит от количества оксида (табл. 3).
Таблица 3. Химический состав доменных шлаков
| Типы шлаков | Соотношение компонентов, % по массе | ||||||||
| SiO2 | SO3 | P2O5 | Al2O3 | CaO | MgO | R2O | FeO | Модуль основности | |
| Кислый | 31,95 | 2,7 | — | 11,61 | 40,7 | 3,56 | 0,38 | 8,29 | 0,84 |
| Основной | 30,85 | 1,12 | 0,02 | 2,63 | 40,54 | 4,83 | 0,93 | 4,12 | 1,37 |
| Нейтральный | 36,25 | 4,12 | — | 10,62 | 45,12 | 1,21 | 0,24 | 5,17 | 1,31 |
| Литейный | 32,06 | 0,3 | — | 9,62 | 40,32 | 0,29 | 0,21 | 042 | 1,01 |
| Ферромарганцевый | 29,62 | — | — | 10,5 | 49,47 | 10,45 | — | 5,21 | — |
Доменные шлаки применяются при изготовлении быстротвердеющего шлакопортландцемента. Внедрение в качестве флюсующей добавки фосфорного шлака позволяет снизить расход сырья на 20% и повысить прочность кирпича на две марки.
Интенсификация темпов строительства актуализирует вопросы обеспечения строительными материалами, конкурентоспособными по качеству и стоимости. Среди прочих направлений диверсификации источников строительного сырья заслуживает внимания проблема рационального использования отходов промышленного, в том числе горного производства. Горно-металлургическая отрасль является мощным донором доступного сырья, качество и активность которого повышается новыми технологиями. В частности, уменьшение содержания металлов в утилизируемых хвостах переделов до безопасных значений достигается активацией механохимическим способом (рис. 4).
Рациональное решение проблемы обеспечения строительной индустрии утилизируемыми отходами горного производства активизирует решение другой, не менее важной проблемы современности – охраны окружающей среды (рис. 5).
Так, использование хвостов обогащения и металлургии решает проблему сырья для приготовления закладочных смесей, что расширяет область применения технологий разработки месторождений с предотвращением разрушения земной поверхности. При этом высвобождаются занятые хвостохранилищами земли и связанные с хранением хвостов выбросы и сбросы вредных химических веществ [16-20].
Выводы:
Растущие потребности в строительных материалах могут удовлетворяться путем вовлечения в строительную индустрию отходов горно-металлургического производства после повышения их качества по инновационным технологиям с получением комплексного эколого-экономического эффекта.
Практика утилизации отходов горного производства получает новое развитие с использованием технологии повышения активности компонентов бетонных смесей одновременно с извлечением металлов из хвостов обогащения.
В статье представлены результаты исследований, выполненных по программе Erasmus + 574061-EPP-1-2016-1-DE-EPPKA2-CBHE-JP “Modernization of geological education in Russian and Vietnamese universities”.
Библиографический список
1. Дмитрак Ю.В., Шишканов К.А. Разработка вероятностной кинематической модели мелющих тел в помольной камере вибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень, №12, 2010, с. 302-308.
2. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №4, 2015, с. 76-88.
3. Голик В.И., Комащенко В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Повышение полноты использования недр путем глубокой утилизации отходов обогащения угля // Горный журнал, №9, 2012, с. 91-95.
4. Голик В.И., Лукьянов В.Г., Хашева З.М. Обоснование возможности и целесообразности использования хвостов обогащения руд для изготовления твердеющих смесей // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, т. 326, №5, 2015, с. 6-14.
5. Дмитрак Ю.В., Шишканов К.А. К вопросу о численном моделировании взаимодействия мелющих тел в мельницах тонкого измельчения // Горный информационно-аналитический бюллетень, №12, 2010, с. 309-313.
6. Голик В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Экспериментальное обоснование безотходной утилизации хвостов обогащения железистых кварцитов // Перспективные материалы, №7, 2015, с. 64-71.
7. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. К проблеме подземной разработки рудных месторождений Центрального федерального округа // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №4, 2016, с. 127-139.
8. Голик В.И., Лукьянов В.Г. Обоснование возможности уменьшения потерь в целиках за счет подпора твердеющими смесями // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, т. 326, №12, 2015, с. 31-38.
9. Ляшенко В.И., Голик В.И., Козырев Е.Н. Комбинированные технологии добычи полезных ископаемых с подземным выщелачиванием // Горный журнал, №12, 2008, с. 37-40.
10. Комащенко В.И., Васильев П.В., Масленников С.А. Технологиям подземной разработки месторождений КМА – надежную сырьевую основу // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №2, 2016, с. 101-114.
11. Ляшенко В.И., Голик В.И. Средства геомеханического мониторинга породного массива при подземной разработке рудных месторождений // Горный журнал, №5, 2004, с. 47-50.
12. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Страданченко С.Г., Хашева З.М. Принципы и экономическая эффективность комбинирования технологий добычи руд // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, т. 326, №7, 2015, с. 6-14.
13. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research, v. 10, №17, 2015, с. 38105-38109.
14. Логачев А.В., Голик В.И. К теории выщелачивания золота из некондиционного первичного и вторичного сырья // Обогащение руд, №2, 2009, с. 18-20.
15. Комащенко В.И. Эколого-экономическая целесообразность утилизации горнопромышленных отходов с целью их переработки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №4, 2015, с. 23-30.
16. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian Caucasus ore deposit development // Journal of the Social Sciences, v. 11, №15, 2016, с. 3742-3746.
17. Golik V.I., Khasheva Z.M., Shulgatyi L.P. Economical efficiency of utilization of allied mining enterprises waste // Journal of the Social Sciences, v. 10. №6, 2015, с. 750-754.
18. Golik V.I., Gabaraev O.Z., Maslennikov S.A., Khasheva Z.M., Shulgaty L.P. The provision of development conversion perspectives into undeground one for Russian iron ore deposits development // Journal of the Social Sciences, v. 11, №18, 2016, с. 4348-4351.
19. Комащенко В.И., Анциферов С.В., Саммаль А.С. Влияние структурных особенностей и физико-механических свойств массивов на качество взрывной подготовки руды и эффективность защиты окружающей среды // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №3, 2016, с. 190-203.
20. Вагин В.С., Голик В.И. Проблемы использования природных ресурсов Южного федерального округа. – Владикавказ: Проект-пресс, 2005, – 191 с.
